Смелый прыжок Феликса Баумгартнера из стратосферы 14 октября 2012 года установил мировой рекорд: впервые человек преодолел звуковой барьер в свободном падении. Профессор Ульрих Вальтер, заведующий кафедрой астронавтики ТУМ, признал рекорд Баумгартнера уникальной возможностью изучить, как падает объект неправильной формы: «В прошлом никто не знал, насколько грубые и неправильные поверхности, такие как складки защитного костюма и т.д. рюкзак, который носил Баумгартнер, повлиял бы на динамику жидкости ".Прыжок вызывает массу вопросов
Первый сюрприз случился вскоре после приземления, вспоминает Уолтер, который следил за прыжком в прямом эфире в качестве научного консультанта команды Stratos: «Наши расчеты, основанные на динамике жидкости гладкого тела, показали, что Баумгартнеру нужно будет прыгнуть с высоты около 37 километров, чтобы преодолеть звуковой барьер, то есть упасть со скоростью более 1 Маха или около 1200 километров в час. Но на самом деле Баумгартнер достиг гораздо более высокой скорости — 1,25 Маха ».Но как мог спортсмен в защитном костюме и рюкзаке упасть быстрее, чем объект симметричной формы с гладкой поверхностью?
Используя собранные данные, например, об атмосферном давлении, температуре, скорости Баумгартнера и его положении в пространстве в каждый момент времени во время прыжка, впервые стало возможным исследовать аэродинамику тел неправильной формы на экстремальных скоростях.Когда воздух застывает
Расчет гидродинамики в околозвуковом диапазоне вблизи звукового барьера не так уж и прост, поскольку здесь накладывается ряд различных физических явлений: на скоростях от 0,7 до 1,3 Маха поток воздуха вокруг движущегося объекта больше не является упругим, а скорее воздух жестко реагирует: образуются ударные волны, приводящие к турбулентности. В свою очередь, эта турбулентность поглощает энергию, что приводит к увеличению аэродинамического сопротивления на скоростях, близких к скорости звука. И наоборот, при определенных условиях потока неровности поверхности могут снизить аэродинамическое сопротивление: так же, как мяч для гольфа с небольшими ямочками на поверхности летает лучше, тело в свободном падении может лететь быстрее, если у него нет гладкой поверхности.
Данные с датчиков и видеоВ теоретическом анализе Уолтер впервые установил математическую основу для расчета гидравлического сопротивления тел произвольной формы непосредственно на основе данных измерений. Благодаря этому и измеренным значениям из рекордного скачка Баумгартнера коэффициент лобового сопротивления и аэродинамика могут измениться.«Мы объединили данные из разных источников в самых разных форматах — некоторые данные состояли из измеренных значений, но нам пришлось извлечь часть информации из видео», — вспоминает Маркус Гурстер, который подготовил данные и применил различные аналитические методы. ему в его бакалаврской диссертации.
«Результаты нас действительно удивили», — вспоминает инженер по авиации и космонавтике, который в настоящее время работает над докторской степенью в Массачусетском технологическом институте после завершения там своей магистерской диссертации: «В то время как коэффициент сопротивления гладкого куба непрерывно увеличивается с 0,6 до 1,1 Маха. к нашим результатам, коэффициент практически не изменился во время полета Баумгартнера — это означает, что звуковой барьер практически не создавал никакого дополнительного сопротивления ».Вмятины и неровности означают большую скорость«Исследование показывает, что любые вмятины, морщины и неровности на поверхности значительно снижают аэродинамическое сопротивление на околозвуковых скоростях», — объясняет Уолтер. Поверхности неправильной формы означают более высокую скорость: по сравнению с гладкими объектами их коэффициент сопротивления и, следовательно, их аэродинамическое сопротивление сокращается почти вдвое.
Уолтер добавил, что эти расчеты все еще являются чисто фундаментальными исследованиями, но добавляет, что если, например, крейсерская скорость самолетов продолжит расти, результаты могут быть полезны в один прекрасный день. Он резюмирует: «Если вы пытаетесь приблизиться к скорости звука, вмятины и неровности могут оказаться очень полезными».